Acestea sunt dispozitive pentru creșterea amplitudinii deplasării oscilatorii a particulelor mediului, adică a intensității ultrasunetelor. Sunt utilizate două tipuri de concentrator: focalizare (pentru a crea vibrații ultrasonice în afara concentratorului) și tijă. Concentratoarele de focalizare sunt prezentate în figurile 6.12 și 6.13.

O carcasă sferică poate servi ca element radiant (Fig. 6.12), care oscilează la frecvența de rezonanță de-a lungul grosimii. Învelișul este excitat de plăci piezoceramice, care au aceeași frecvență de rezonanță și o acoperă în întregime sub formă de mozaic. Radiația vibrațiilor în cavitatea cu apă și unda sferică descendentă este focalizată la baza sticlei cu obiectul studiat. Cavitatea de sticlă este separată de mediul de contact printr-un film transparent fonic. O substanță solidă cu absorbție acustică scăzută poate fi folosită și ca mediu de contact (Fig. 6.13). Concentrator de tijă - o tijă solidă cu secțiune transversală variabilă sau schimbare de densitate, atașată la radiator cu un capăt mai lat sau o parte cu o densitate mai mare a materialului. Principiul de funcționare se bazează pe o creștere a amplitudinii vibrațiilor particulelor tijei ca urmare a scăderii secțiunii transversale sau a densității acesteia conform legii conservării impulsului. Creșterea amplitudinii este cu atât mai mare, cu atât este mai mare diferența de diametre sau densități ale capetelor opuse ale tijei. Astfel de concentratoare funcționează la frecvențe de la 18 la 100 kHz la frecvența de rezonanță, adică lungimea lor trebuie să fie un multiplu al unui număr întreg de semi-unde. Dimensiunea liniară maximă a capătului lat al concentratorului trebuie să fie mai mică de λ/2. Câștigul concentratorului K este raportul dintre amplitudinea deplasărilor (sau vitezelor) la capetele sale înguste A 0 (V 0) și late A n (V n).

Concentratoarele cu tije se califică:

După forma secțiunii longitudinale (în trepte, conic, exponențial, catenoid, fiolă)

După forma secțiunii transversale (rotunde, în formă de pană și altele)

După numărul de hub-uri rezonante cu lungime de jumătate de undă conectate în serie (unul, doi și așa mai departe în trepte)

Figura 6.14 prezintă diferite tipuri de concentratoare cu semiundă, precum și distribuția amplitudinilor de deplasare A și a tensiunii Δ. Există 2 moduri de funcționare ale concentratoarelor: modul oscilator în afara stării încărcate (mod unde staționare), modul unde călătorie când sunt încărcate pe un mediu activ complet absorbant. Gradul de aproximare a oscilațiilor față de modurile unei unde de călătorie sau staționare este determinat de coeficientul undei de călătorie:

A 0 min - amplitudine de deplasare in sectiunea nodala

A 0 max - amplitudinea deplasărilor în antinodul oscilațiilor

O zonă de secțiune transversală variabilă a concentratorului poate fi furnizată prin modificarea profilului lor intern (Fig. 6.15). Concentratoarele pot fi realizate din aliaje de titan (pierderi acustice minime, amplitudine mare a vibrațiilor, rezistență la oboseală), totuși, legătura titanului cu materialele magnetostrictive este dificilă, mai des concentratoarele sunt realizate din oțeluri 40X și 45. tensiunile sunt minime.

Conexiunea convertoarelor de ferită cu un butuc este adeziv. Traductoarele piezoceramice cu ajutorul plăcuțelor și șuruburilor de cuplare, pe lângă sistemele oscilatoare cu vibrații longitudinale, folosesc sisteme cu vibrații de încovoiere și de torsiune (Fig. 6.16). Traductoarele piezoceramice de vibrație de torsiune pot fi utilizate din două elemente piezoelectrice semicilindrice polarizate într-unul circular și conectate împreună cu lipici (Fig. 6.17). Cu toate acestea, ele nu oferă o putere radiantă mare. Pentru a elimina acest lucru, sunt utilizate modelele prezentate în Figura 6.18. Între plăcuțele de reducere a frecvenței (Fig. 6.18.a) cu ajutorul unui șurub și piuliță se fixează inele piezoceramice, recrutate din secțiuni separate de piezoceramice și electrozi de argint (Fig. 6.18.b). Piezoceramica este polarizată de-a lungul periferiei în ansamblu.

Sistemele oscilatorii acustice sunt utilizate pentru transmiterea multidirecțională a energiei ultrasonice, care convertesc vibrațiile în mai multe direcții sau acumulează energie din mai multe surse într-o singură direcție (Fig. 6.19-6.20).

5 DEZVOLTAREA SISTEMELOR DE VIBRAȚII ULTRASONICE PENTRU IMPLEMENTAREA PROCESULUI TEHNOLOGIC DE DIMENSIONARE

1. Scheme structurale și compoziția sistemelor oscilatoare ultrasonice

Orice unitate de proces cu ultrasunete, inclusiv dispozitive ultrasonice pentru prelucrarea dimensională a materialelor, include o sursă de energie (generator de oscilații electrice) și un sistem oscilator ultrasonic.

Un sistem oscilator cu ultrasunete constă dintr-un traductor, un element de potrivire și un instrument de lucru (emițător).

În convertorul (elementul activ) al sistemului oscilator, energia vibrațiilor electrice este convertită în energia vibrațiilor elastice de frecvență ultrasonică și se creează o forță mecanică alternativă.

Elementul de potrivire al sistemului (concentrator pasiv) realizează transformarea vitezelor și asigură coordonarea sarcinii externe și a elementului intern activ.

Instrumentul de lucru creează un câmp ultrasonic în obiectul prelucrat sau îl afectează direct.

Cea mai importantă caracteristică a sistemelor oscilatoare ultrasonice este frecvența de rezonanță. Acest lucru se datorează faptului că eficiența procese tehnologice este determinată de amplitudinea oscilațiilor (valorile deplasării vibraționale), iar valorile maxime ale amplitudinilor sunt atinse atunci când sistemul oscilator ultrasonic este excitat la frecvența de rezonanță. Valorile frecvențelor de rezonanță ale sistemelor de vibrații cu ultrasunete trebuie să se încadreze în intervalele permise (pentru dispozitivele ultrasonice pentru prelucrare dimensională, aceste frecvențe corespund la 18, 22, 44 kHz).

Raportul dintre energia acumulată de un sistem oscilator ultrasonic și energia utilizată pentru acțiunea tehnologică pentru fiecare perioadă de oscilații se numește factor de calitate al sistemului oscilator. Factorul de calitate determină amplitudinea maximă a oscilațiilor la frecvența de rezonanță și natura dependenței amplitudinii oscilațiilor de frecvență (adică lățimea intervalului de frecvență).

Aspect Un sistem oscilator cu ultrasunete tipic este prezentat în Figura 5.1. Este format dintr-un convertor - 1, un transformator (hub) - 2, un instrument de lucru - 3, un suport - 4 și o carcasă - 5.

Distribuția amplitudinii de oscilație A și a forțelor ( stres mecanic) F în sistemul oscilator are forma undelor staţionare (cu condiţia ca pierderile şi radiaţiile să fie neglijate).

După cum se poate observa din Figura 5.1, există planuri în care deplasările și tensiunile mecanice sunt întotdeauna zero. Aceste planuri se numesc nodale. Planurile în care deplasările și tensiunile sunt minime se numesc antinoduri. Valorile maxime ale deplasărilor (amplitudinilor) corespund întotdeauna cu valorile minime ale tensiunilor mecanice și invers. Distanțele dintre două planuri nodale sau antinoduri adiacente sunt întotdeauna egale cu jumătate din lungimea de undă.

Figura 5.1 - Sistem oscilator cu două jumătăți de undă și distribuție a amplitudinilor de oscilație A și a tensiunilor mecanice care acționează F

Într-un sistem oscilator există întotdeauna conexiuni care asigură conexiunea acustică și mecanică a elementelor sale. Conexiunile pot fi dintr-o singură piesă, totuși, dacă este necesară schimbarea instrumentului de lucru, conexiunile sunt filetate.

Un sistem oscilator cu ultrasunete, împreună cu o carcasă, dispozitive pentru alimentarea cu tensiune și orificii de ventilație, este de obicei realizat ca o unitate separată. În viitor, folosind termenul de sistem oscilator ultrasonic, vom vorbi despre întregul nod în ansamblu.

Un sistem oscilator utilizat în dispozitivele cu ultrasunete în scopuri tehnologice trebuie să îndeplinească o serie de cerințe generale:

unu). Lucrați într-un interval de frecvență dat;

2). Lucrați cu toate modificările posibile ale sarcinii în timpul procesului tehnologic;

3). Asigurați intensitatea radiației sau amplitudinea oscilației necesare;

patru). Să aibă cel mai mare raport posibil acțiune utilă;

5). Părțile sistemului oscilator ultrasonic în contact cu lichidul trebuie să aibă rezistență la cavitație;

6). Au o montură rigidă în corp;

7). Trebuie să aibă dimensiuni și greutate minime;

opt). Trebuie respectate cerințele de siguranță.

Sistemul oscilant cu ultrasunete prezentat în Figura 5.1 este un sistem oscilant cu două jumătăți de unde. În el, traductorul are o dimensiune rezonantă egală cu jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul traductorului. Pentru a crește amplitudinea oscilației și pentru a potrivi traductorul cu mediul de prelucrat, se folosește un concentrator, care are o dimensiune rezonantă corespunzătoare jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului.

Dacă sistemul oscilator prezentat în figura 5.1 este realizat din oțel (viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în oțel este mai mare de 5000 m/s), atunci dimensiunea sa longitudinală este mai mare de 23 cm.

Pentru a îndeplini cerințele de compactitate ridicată și greutate redusă, sunt utilizate sisteme oscilatoare cu jumătate de undă, constând dintr-un convertor și un concentrator cu un sfert de undă. Un astfel de sistem oscilator este prezentat schematic în Figura 5.2. Denumirile elementelor sistemului oscilator corespund denumirilor din figura 5.1.

La implementarea unei scheme constructive de semi-undă, este posibil să se asigure dimensiunea și masa longitudinală minimă posibilă a sistemului oscilator ultrasonic, precum și reducerea numărului de conexiuni mecanice.

Dezavantajul unui astfel de sistem oscilator este conectarea convertorului cu concentratorul în planul celor mai mari solicitări mecanice. Cu toate acestea, acest dezavantaj, așa cum va fi arătat mai jos, poate fi parțial eliminat prin deplasarea elementului activ al convertorului din punctul de tensiuni maxime de funcționare.

Vibrațiile ultrasonice de mare intensitate în dispozitivele tehnologice sunt create folosind traductoare magnetostrictive și piezoelectrice.

Figura 5.2 - Sistem oscilator semi-undă și distribuție a amplitudinilor de oscilație A și a tensiunilor de operare F

Traductoarele magnetostrictive sunt capabile să furnizeze puteri mari de radiație ale vibrațiilor ultrasonice, cu toate acestea, necesită utilizarea de răcire forțată cu apă. Acest lucru le face nepotrivite pentru utilizarea în dispozitive multifuncționale de dimensiuni mici, cu aplicații extinse.

Materialele piezoceramice se caracterizează prin temperaturi de funcționare foarte ridicate (peste 200°C) și de aceea sunt utilizate fără răcire forțată. Prin urmare, traductoarele cu putere de până la 1 kW, de regulă, sunt fabricate din materiale piezoceramice artificiale pe bază de zirconat-titanat de plumb cu diverși aditivi.

Materialele piezoceramice moderne, cum ar fi PKR-8M, TsTS-24, destinate utilizării în instalații tehnologice de mare intensitate, nu sunt inferioare materialelor magnetostrictive în ceea ce privește caracteristicile de putere și le depășesc semnificativ în eficiență.

În plus, din piezoceramice pot fi realizate elemente piezoelectrice de aproape orice formă - discuri rotunde, plăci pătrate, inele etc. Deoarece elementele piezoceramice sunt supuse unei operații tehnologice speciale în timpul fabricării - polarizare într-un câmp electric cu o putere de aproximativ 5 kV / mm, fabricarea elementelor piezoelectrice cu un diametru mai mare de 70 mm și o grosime mai mare de 30 mm este imposibilă din punct de vedere tehnologic și, prin urmare, nu sunt utilizate în practică.

Piezoceramica este utilizată pentru a produce plăci rotunde și elemente inelare cu dimensiunile prezentate în Tabelul 5.1.

Dimensiunea longitudinală a elementului piezoelectric (grosimea acestuia) este determinată de proprietățile materialului și de frecvența de funcționare dată. Când se utilizează piezomateriale de tip PZT sau PKR, caracterizate prin viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice longitudinale  3500 m/s, un traductor rezonant cu semiundă la o frecvență de 22 kHz va avea o dimensiune longitudinală egală cu

.

Tabel 5.1 - Dimensiunile elementelor piezoelectrice fabricate

Diametru exterior, mm
Diametrul interior, mm
Grosimea, mm

Elementele piezoelectrice de această grosime nu sunt produse de industrie. Prin urmare, în sistemele oscilatoare cu ultrasunete realizate pe bază de materiale piezoceramice se folosesc traductoare tip sandwich propuși de Langevin.

Astfel de traductoare constau din două plăci metalice de formă cilindrică, între care se fixează un element activ din piezoceramic. Plăcile metalice acționează ca mase suplimentare și determină frecvența de rezonanță a traductorului.

Excitarea elementului activ este realizată în așa fel încât întregul sistem să funcționeze ca un convertor rezonant cu jumătate de undă. Un circuit tipic al unui convertor semiundă este prezentat în Figura 5.3.

Figura 5.3 - Traductor piezoelectric semi-undă

Traductorul este format din două elemente inelare piezoceramice 1, o căptușeală radiantă 2, o căptușeală reflectorizantă 3, plăcuțe din folie conductivă moale 4 și un șurub de strângere 5. Un manșon izolator 6 este utilizat pentru a izola electric suprafața cilindrică interioară a elementelor piezoelectrice. de la șurubul metalic de strângere.

Suprafețele de conectare ale elementelor piezoelectrice și suprapunerile sunt frecate cu grijă la asamblarea traductoarelor. Un șurub de legătură și garniturile moi (de obicei din cupru) asigură o conexiune mecanică puternică. Crearea unei solicitări mecanice preliminare în elementele piezoelectrice (mai mult de 20 MPa/cm2) face posibilă creșterea eficienței traductorului. Pentru a crea forțele de strângere necesare, se folosesc șuruburi de strângere M12 ... M18 cu filete fine. Necesitatea utilizării șuruburilor cu diametrele indicate necesită utilizarea unor elemente piezoelectrice inelare cu un diametru interior mai mare de 14 mm în traductoare (ținând cont de necesitatea utilizării bucșelor izolatoare).

Cuprul se răspândește sub acțiunea presiunilor de constrângere, umple microrugozitatea suprafețelor elementelor piezoelectrice (obturație) și suprapunerile și, prin urmare, asigură un contact acustic sigur. Pentru a reduce tensiunea de excitare care alimentează traductorul ultrasonic, precum și pentru a oferi posibilitatea de împământare a suprapunerilor superioare și inferioare, elementul activ este asamblat din două elemente piezoelectrice de aceeași grosime. Elementele piezoelectrice sunt instalate în așa fel încât vectorii lor de polarizare să fie direcționați opus. În acest caz, tensiunea de excitare necesară este înjumătățită, iar rezistența convertorului la frecvența de rezonanță este un sfert din rezistența convertorului cu o singură placă.

Eficiența traductorului este afectată de poziția elementelor piezoelectrice în sistem (în planul nodal, în antinod sau la o poziție intermediară între nodul și antinodul de oscilații), grosimea elementelor piezoelectrice, raportul dintre rezistențele specifice undelor (produsul densității materialului și viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în acesta) ale piezoelementelor și suprapunerilor.

Cele mai severe condiții în ceea ce privește caracteristicile de rezistență sunt create atunci când elementele piezoelectrice sunt situate în planul nodal al vibrațiilor, adică. în planul solicitărilor mecanice maxime. Puterea de radiație specifică a traductorului în acest caz este limitată de rezistența piezomaterialului. Amplasarea elementelor piezoelectrice la capatul traductorului (in antinodul vibratiilor) face posibila obtinerea randamentului maxim. Tensiunile mecanice din secțiunea de lucru sunt reduse, ceea ce face posibilă creșterea puterii semnalului electric furnizat elementelor piezoelectrice. Cu toate acestea, impedanța mare de intrare a convertorului în acest caz necesită o creștere semnificativă a tensiunii de alimentare, ceea ce este nedorit pentru dispozitivele multifuncționale utilizate, în special, în condiții casnice.

Atunci când se utilizează traductoare cu elemente piezoceramice active, stabilitatea funcționării acestora este de mare importanță. Pierderile din materialul piezoceramic, plăcuțele, suporturile duc la propria încălzire a traductorului. În plus, în timpul procesului tehnologic, materialele prelucrate sunt încălzite, sarcina externă se modifică datorită modificărilor proprietăților materialelor prelucrate. Acești factori destabilizatori duc la o modificare a frecvenței de rezonanță a convertorului, a impedanței sale de intrare și a puterii radiate.

Influența acestor factori destabilizatori este maximă atunci când elementele piezoelectrice sunt situate în planul nodal.

Cea mai bună opțiune Funcționarea traductorului compozit este plasarea elementelor piezoelectrice între planul nodal și fața de capăt a căptușelii reflectorizante. În acest caz, se obțin condiții medii intermediare pentru rezistența piezomaterialului, eficiența și stabilitatea traductorului.

Amplitudinea maximă a oscilațiilor traductoarelor piezoelectrice, chiar și în modul rezonant, este mică (de obicei nu mai mult de 3...10 µm). Prin urmare, pentru a crește amplitudinea oscilațiilor instrumentului de lucru și pentru a potrivi traductorul cu sarcina (mediul procesat), se folosesc concentratoare cu ultrasunete. Pentru a obține un randament electroacustic ridicat, este necesar ca raportul dintre rezistența mediului prelucrat (raportul dintre puterea acustică radiată și pătratul vitezei de vibrație) și rezistența internă a traductorului să corespundă aproximativ cu 10. În practică , traductoarele cu o intensitate de 3 ... 10 W / cm 2 au acest raport egal cu 0, 65....0,85 .

Prin urmare, eficiența maximă de potrivire a convertorului cu mediul de prelucrat este asigurată atunci când se utilizează concentratoare cu un câștig de aproximativ 10 (mai precis, de la 12 la 15).

Concentratoarele sunt tije cilindrice cu secțiune transversală variabilă realizate din metale. În funcție de forma generatricei, concentratoarele sunt împărțite în conice, exponențiale, catenoidale și treptate. Aspectul concentratoarelor, precum și distribuția amplitudinilor vibrațiilor și solicitărilor mecanice sunt prezentate în Figura 5.4.

După cum reiese din Figura 5.4, cele mai avantajoase din punct de vedere al posibilității de a obține amplitudini semnificative de deplasare la sarcină mică sunt concentratoarele în trepte, în care factorul de amplificare a amplitudinii este egal cu raportul dintre zonele secțiunilor de intrare și ieșire (adică, pătrat al raportului dintre diametrele secțiunilor de evacuare și de intrare). Dar în ceea ce privește capacitatea de a potrivi traductorul cu mediul, astfel de concentratoare sunt semnificativ inferioare celor conice, exponențiale și catenoidale.

Figura 5.4 - Concentratoare ale vibrațiilor ultrasonice și distribuția amplitudinilor A și a tensiunilor mecanice F: a - conic, b - exponențial, c - catenoidal, d - treptat

Un sistem oscilator ultrasonic cu un concentrator în trepte se caracterizează printr-o bandă îngustă de frecvență de operare și, prin urmare, o capacitate foarte limitată de a regla frecvența cu modificările de sarcină. Abaterile nesemnificative ale frecvenței de rezonanță a sistemului oscilator de la frecvența de rezonanță a concentratorului treptat conduc la o creștere bruscă a rezistenței de intrare și, în consecință, la o scădere a eficienței întregului sistem oscilator.

Solicitările mecanice mari care apar în zona de tranziție între secțiuni de diferite diametre atunci când se lucrează cu amplitudini mai mari de 20 μm provoacă o încălzire puternică a concentratorului și, ca urmare, modificări semnificative ale frecvenței de oscilație a sistemului. Prin urmare, concentratoarele în trepte nu au o rezistență suficientă și durata lor de viață este foarte scurtă din cauza apariției fisurilor de oboseală.

Aceste neajunsuri exclud posibilitatea utilizării concentratoarelor în trepte în sisteme oscilatoare care asigură formarea de vibrații ultrasonice de mare intensitate cu o amplitudine de aproximativ 30 ... 50 de microni sau mai mult.

Concentratoarele de forme conice, exponențiale și catenoidale asigură condiții mai favorabile pentru transferul vibrațiilor ultrasonice la sarcină și pentru obținerea caracteristicilor de rezistență necesare sistemelor oscilatoare. Cu toate acestea, câștigurile unor astfel de concentratoare nu depășesc raportul dintre diametrele secțiunilor de ieșire și de intrare. Prin urmare, cu suprafețe semnificative ale secțiunii de ieșire (până la 5 cm 2 și mai mult) și, prin urmare, ale instrumentului de lucru, pentru a obține valori suficient de mari ale câștigului, sunt necesare dimensiuni atât de mari ale secțiunii de intrare, care practic predetermină imposibilitatea utilizării unor astfel de concentratoare în aparate multifuncţionale.

Concentratoarele compozite au forme structurale mai avansate. Deosebit de promițătoare dintre ele sunt concentratoarele în trepte cu tranziții netede exponențiale sau radiale (Figura 5.5).

Figura 5.5 - Concentrator compozit exponențial în trepte

Astfel de concentratoare fac posibilă, cu dimensiuni relativ mici ale secțiunii de intrare, obținerea unor câștiguri care corespund practic câștigurilor unui concentrator clasic în trepte. Prezența unei secțiuni exponențiale de tranziție reduce concentrația de tensiuni și oferă condiții mai favorabile pentru propagarea vibrațiilor ultrasonice, îmbunătățește proprietățile de rezistență ale concentratoarelor. În plus, prezența unei secțiuni exponențiale vă permite să transformați sarcina fără o schimbare semnificativă a modului de rezonanță al sistemului oscilator ultrasonic.

Utilizarea relațiilor teoretice date în lucrare la proiectarea concentratoarelor în trepte cu tranziții netede este foarte laborioasă și necesită calcule greoaie. Prin urmare, se folosește de obicei o tehnică de calcul, obținută ca urmare a studiilor experimentale ale expresiilor analitice inițiale într-o gamă largă de modificări ale parametrilor dimensionali ai concentratoarelor. Următoarea subsecțiune arată cum se efectuează calculul practic al sistemelor oscilatoare ultrasonice cu concentratoarele compuși în trepte considerate.

1. Sistem oscilator cu ultrasunete de dimensiuni mici pentru unelte de mână

Atunci când se creează sisteme oscilatorii cu ultrasunete pentru dispozitive multifuncționale, este necesar să se asigure o creștere a amplitudinii vibrațiilor instrumentului de lucru de cel puțin 10 ori folosind un concentrator și să se îndeplinească cerințele de compactitate crescută. În acest caz, așa cum s-a menționat mai devreme, sunt utilizate sisteme oscilatoare cu un convertor de un sfert de undă și un concentrator. Dezavantajul unor astfel de sisteme este conectarea traductorului (piezoelectric) cu concentratorul în planul celor mai mari solicitări mecanice. Acest dezavantaj este eliminat în sistemul oscilator realizat sub forma unui corp de revoluție format din două plăci metalice, între care elemente piezoelectrice sunt amplasate deasupra unității de deplasare a undelor ultrasonice.

Amplificarea amplitudinii oscilației este asigurată datorită faptului că generatoarea corpului de rotație al sistemului oscilator este realizată sub forma unei curbe continue, precum catenoizi, exponenți etc., asigurând concentrația energiei ultrasonice. Când se aplică tensiune electrică electrozilor elementelor piezoelectrice, apar vibrații mecanice, care sunt amplificate prin executarea suprapunerilor sub forma unei curbe continue și apoi transferate la unealta de lucru.

Din punctul de vedere al asigurării unei potriviri optime a rezistenței de intrare a elementului activ și a rezistenței mediului de prelucrat, este necesar să se realizeze tampoane de lucru generatoare reflectorizante și radiante sub forma unui corp de revoluție cu o generatoare realizată în forma unui catenoid. Câștigul în acest caz va fi maxim și poate atinge valori egale cu:

Unde: N = D/d, D - diametrul maxim (diametrul tamponului reflectorizant), d - diametrul minim (diametrul tamponului de lucru radiant la legătura cu unealta).

Pentru sistemele oscilatoare cu ultrasunete realizate sub forma unui corp de revoluție cu o generatrică exponențială sau conică, câștigul va fi și mai mic.

În sistemul oscilator luat în considerare, elementele piezoelectrice sunt situate, după cum sa menționat, deasupra nodului de deplasare. Distanța dintre ele și capătul sistemului oscilant este aleasă astfel încât în ​​zona elementelor piezoelectrice, tensiunile dinamice să aibă valori care să nu depășească 0,3 F max, ceea ce crește fiabilitatea și stabilitatea sistemului în funcțiune.

Să luăm în considerare dacă este posibil să se utilizeze sistemul oscilator considerat pentru dispozitive multifuncționale în scopuri tehnologice.

Așadar, pentru a obține un factor de câștig K egal cu 10, cu un diametru al suprafeței de capăt a suportului de lucru radiant egal cu 10 mm, conform formulei de mai sus, este necesar să se folosească un tampon de spate cu un diametru de 90 mm. O astfel de creștere semnificativă a dimensiunilor sistemului oscilator nu numai că duce la apariția oscilațiilor radiale, care reduc semnificativ câștigul, dar este practic irealizabilă din cauza lipsei elementelor piezoelectrice cu diametre mari (mai mult de 70 mm).

Prin urmare, a fost propus și dezvoltat un sistem oscilator cu ultrasunete sub forma unui corp de revoluție din două suprapuneri și două elemente piezoelectrice situate între aceste suprapuneri, astfel încât generatoarea corpului de revoluție să fie realizată sub forma unui continuu neted în bucăți. curba, formata din trei sectiuni. Prima secțiune este cilindrică în lungime l 1 , a doua este exponențială în lungime l z , a treia este cilindrică în lungime l 2 .

Elementele piezoelectrice sunt situate între secțiunea exponențială și fața de capăt a tamponului reflectorizant. Lungimile secțiunilor îndeplinesc următoarele condiții:

,

,

,

unde s 1 , s 2 - viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în materialele suprapunerilor, (m / s);

c este viteza de propagare a vibrațiilor ultrasonice în materialul elementului piezoelectric, (m/s);

/2 - frecvenţa de funcţionare a sistemului oscilator, (Hz);

h este grosimea elementului piezoelectric, (m);

k 1 , k 2 - coeficienți selectați din condiția asigurării câștigului maxim (sau necesar) K pentru un N dat.

Sistemul oscilator cu ultrasunete luat în considerare este prezentat schematic în Figura 5.6. Aceeași figură arată distribuția amplitudinilor de oscilație și a tensiunilor mecanice F în sistem cu condiția neglijării pierderilor de energie și radiației. Antinodurile de deplasare corespund aproximativ nodurilor de stres mecanic și invers, adică. distribuţia deplasărilor şi forţelor are forma unor unde staţionare.

Sistemul oscilant cu ultrasunete conține o carcasă 1, în care, prin intermediul unor elemente de fixare printr-un suport 2, este fixat în unitatea de deplasare un sistem oscilator cu ultrasunete, constând dintr-o placă metalică reflectorizante 3, elemente piezoelectrice 4, la ai căror electrozi, printr-un cablu de conectare, este furnizată o tensiune de excitare electrică a plăcii de metal radiante 5. instrumentul de lucru 6 este atașat ultimul.

Generatoarea corpului de revoluție, constând din suprapuneri și elemente piezoelectrice ale sistemului oscilator, este realizată sub forma unei curbe continue pe bucăți-netede, care conține trei secțiuni. Prima - cilindrică - include o suprapunere reflectorizantă 3 și elemente piezoelectrice 4. A doua (exponențială) și a treia secțiune (cilindrica) sunt o suprapunere de lucru 5.

R
Figura 5.6 - Sistem vibrator cu ultrasunete

Lungimile secțiunilor sunt selectate în conformitate cu formulele de mai sus.

Obținerea de relații analitice pentru calcule practice în proiectarea sistemelor oscilatoare este dificilă din cauza lipsei unui număr de date precise privind propagarea vibrațiilor în tijele de secțiune transversală variabilă din diferite materiale alternative. Calculele aproximative necesită calcule greoaie, astfel încât rapoartele date sunt utilizate împreună cu dependențele grafice obținute ca urmare a studiilor practice ale concentratoarelor cu rapoarte diferite ale parametrilor l 1 , l z , l 2 .

Rezultatele obținute, care arată dependența câștigului unui sistem oscilator complex exponențial în trepte de coeficienții k 1 și k 2, care determină lungimile secțiunilor de intrare și de ieșire, sunt prezentate în Figura 5.7.

Cu condiția ca factorul de contracție al secțiunii exponențiale de la diametrul D la d să fie egal cu N mai mic de 3, câștigul maxim al sistemului este prevăzut la k 1 = k 2 =1,15 .... 1,2 și în valoarea acestuia. se apropie de câștigul concentratorului în trepte. În cazul N > 3, câștigul maxim al sistemului oscilator este prevăzut cu factori de corecție k 1 și k 2 egali cu 1,1, iar în practică nu atinge valori corespunzătoare câștigului unui concentrator în trepte. La N = 3, câștigul unui sistem oscilator complex în trepte-exponențial atinge 85% din câștigul unui concentrator clasic în trepte și scade odată cu o creștere suplimentară a N.

Datele experimentale prezentate arată că câștigul maxim al sistemului oscilator considerat se realizează la k 1 = k 2 = k și este destul de bine descris prin formula

Filmul are capacitatea de a adera în mod fiabil la granulele materialului de lustruit situat pe tamponul de lustruit. La mutarea tamponului de lustruit, filmul este îndepărtat cu sticla și se formează o nouă peliculă.

Descompunerea sticlei și formarea unui film are loc într-o fracțiune de secundă. Din punct de vedere chimic, lustruirea poate fi considerată ca fiind îndepărtarea continuă a unei pelicule din sticlă și formarea imediată a acesteia.

Lustruirea ar trebui considerată ca un proces fizic și chimic complex de acționare a sticlei.

Lustruirea pieselor se realizează pe mașina B1.M3.105.000 cu o soluție apoasă de polirit optic.

Prelucrarea se efectuează la o viteză a șlefuirii de 40 rpm.

Fixarea pieselor pe dispozitiv se realizează cu ceară dentară.

Polirita este principala pulbere de lustruire folosită în industria optică. Are o culoare scorțișoară și din punct de vedere chimic este un amestec de oxizi ai elementelor pământurilor rare. Conține în principal oxid de ceriu (cel puțin 45%). Densitatea poliritului este de 5,8-6,2*103 kg/m3.

Foarte importantă pentru implementarea cu succes a lustruirii este problema alegerea potrivita lustruitor. Parametrii materialelor tampon de lustruit includ rigiditatea lor relativă, structura stratului de suprafață al materialului, prezența părului și natura acestuia.

Acești parametri afectează direct productivitatea procesului, acuratețea parametrilor geometrici și rugozitatea suprafeței lustruite. Cu cât rigiditatea plăcuței de lustruit este mai mare, cu atât este mai mică recesiunea granulelor abrazive sub influența sarcinilor și presiunea în zona de contact dintre boabele abrazive și materialul piesei este mai mare. Această presiune poate duce la o creștere a adâncimii de penetrare a granulelor abrazive în materialul piesei, care poate fi însoțită de o anumită creștere a productivității procesului cu o deteriorare simultană a clasei de rugozitate a suprafeței și o creștere a adâncimea stratului deteriorat și la distrugerea granulelor abrazive, care poate provoca ciobirea ca un crater a materialului piesei. Creșterea rigidității materialului tampon de lustruit face posibilă reducerea defectelor în parametrii geometrici ai sticlei caracteristice lustruirii - blocarea marginilor și ondularea suprafeței.

Moleskin este folosit pentru a lustrui detaliile. Stratul său de suprafață este realizat sub formă de celule bine fixate de particule de polirit, care efectuează micro-tăierea suprafeței piesei. Umiditatea bună a acestui material de către nămolul abraziv facilitează schimbarea periodică a particulelor abrazive în celulele discului de lustruit.

Fig.26. Schema bloc a procesului tehnologic de prelucrare a unei plăci din sticlă electrovacuum C40-1

Procesul tehnologic de prelucrare mecanică Policor . luând în considerare utilizarea frezării cu ultrasunete, este o combinație de execuție secvențială a următoarelor operații:

Slefuirea suprafetei.

Măcinarea pieselor ceramice se efectuează pe mașină de șlefuit profil JE525 roată diamant cu profil drept, granulație 80/63; liant de bachelit B1; concentrația de boabe de diamant este de 50%.

Legătura de bachelită vă permite să șlefuiți materiale foarte fragile. Acest lucru se datorează elasticității ridicate a legăturii bachelitei în comparație cu ceramica. Datorită acestei elasticități, această legătură reduce oarecum sarcina de impact asupra particulelor de material prelucrat din boabele abrazive, adică creează condiții pentru introducerea lor mai lină în material.

cu ultrasunete.

Modelarea principală este efectuată pe o configurație experimentală cu o unealtă ultrasonică cu un strat care conține diamant cu o dimensiune a granulelor de 80/63 la o viteză a axului de 2500 rpm, o viteză de avans de 0,7 mm/min și o frecvență de 22 kHz. Detaliile sunt lipite pe o placă de sticlă tehnologică (de fereastră) cu un mastic format din ceară, colofoniu și parafină. Diametrul sculei corespunde diametrului minim pe diametrul exterior. Într-o singură operație, contururile exterior și interior sunt tăiate.

Pentru curățarea pieselor de sticlă după lustruire, se folosesc lichide de spălat, care pot fi împărțite în solvenți organici și soluții alcaline fierbinți.

Curățarea pieselor de reziduuri de mastic și diferiți contaminanți se efectuează succesiv în soluție de toluen, peroxid-amoniac, urmată de spălare într-un canal de apă ionizată. Piesele sunt apoi curățate și uscate alcool izopropilic. Fierberea în alcool izopropilic deshidratează (lipește de umiditate) și în același timp curăță suplimentar. Părțile sunt ținute în aer până când alcoolul izopropilic s-a evaporat complet.

Fig.27. Schema bloc a procesului tehnologic de prelucrare mecanică Policor.

6. Calculul concentratorului treptat.

6.1. Concentratoare cu ultrasunete și ghiduri de undă.

Concentratoarele și ghidurile de undă joacă rolul unor legături de lungime rezonantă care amplifică și transmit energia ultrasunetelor de la traductor către zona de lucru - către unealtă. Amplitudinea maximă a oscilațiilor traductoarelor Koll" href="/text/category/koll/" rel="bookmark"> a oscilațiilor instrumentului și potrivirea traductorului cu sarcina, se folosesc concentratoare ultrasonice (transformatoare de viteză).Tije sau tuburi de secțiune transversală constantă care conectează traductorul sau concentratorul cu sarcina se numesc ghiduri de undă ultrasonice.

În funcție de tipul de vibrații, concentratoarele și ghidurile de undă pot fi de vibrații longitudinale, încovoiate sau transversale. Ghidurile de undă și altele și altele sunt posibile tipuri complexe fluctuatii. Se lucrează la crearea ghidurilor de undă pentru transmisia multidirecțională a oscilațiilor și a sistemelor oscilatorii cu diferite tipuri de oscilații.

Combinând mai multe ghiduri de undă împreună, puteți obține diferite opțiuni pentru transmiterea multidirecțională a energiei acustice. Astfel de sisteme pot fi utilizate atât pentru transmiterea multidirecțională a vibrațiilor de la un convertor, cât și ca sistem de stocare, atunci când energia din mai multe surse este transmisă într-o singură direcție. Ghidul de undă pentru transformarea vibrațiilor radiale în vibrații longitudinale este un disc în care traductoarele sunt fixate la periferie; în acest caz, vibrațiile longitudinale apar la capetele cilindrului conectat la disc.

6.2. Caracteristicile concentratoarelor.

Concentratoarele de focalizare sunt realizate de obicei fie sub formă de sisteme de oglindă, fie sub formă de așa-numiți emițători ultrasonici de focalizare de formă sferică sau cilindrică. Acestea din urmă sunt cel mai adesea realizate din ceramică piezoelectrică și oscilează la o frecvență de rezonanță pe toată grosimea. Se folosesc și emițători magnetostrictivi cilindrici. Concentratoarele de focalizare sunt utilizate atât în ​​practica de laborator, cât și în industrie, în principal în instalațiile pentru aplicarea tehnologică a ultrasunetelor: curățare cu ultrasunete, dispersie, producere de aerosoli, etc. Până la 90% din toată energia sonoră emisă este colectată în punctul focal al concentratoarelor de focalizare. . Deoarece pentru o bună focalizare este necesar ca dimensiunile concentratoarelor să fie mari în comparație cu lungimea de undă, acest tip de concentrator este utilizat în principal în regiunea frecvențelor ultrasunete înalte (105 Hz și mai sus). Cu ajutorul lor se obtin intensitati de 103-104 W/cm2. Schema emițătorului sferic de focalizare este prezentată în Figura 28.

Orez. 28 - Schema unui emițător sferic de focalizare din piezoceramic, oscilant în grosime

Un concentrator de ghid de undă (numit uneori transformator mecanic) este un segment al unui ghid de undă neomogen (conic), concentrația de energie în care apare ca urmare a scăderii secțiunii transversale. S-au răspândit concentratoarele de ghid de undă rezonante sub formă de tije metalice cu jumătate de lungime de undă, cu o secțiune transversală care variază lin în funcție de o anumită lege sau salturi. Astfel de concentratoare pot oferi o amplificare în amplitudine de 10-15 ori și fac posibilă obținerea în domeniul de frecvență ~ 104 Hz amplitudini de vibrație de până la 50 µm. Sunt utilizate la mașini cu ultrasunete pentru prelucrare mecanică, în instalații de sudare cu ultrasunete, instrumente chirurgicale cu ultrasunete etc. Diagrama concentratoarelor acustice cu ghid de undă este prezentată în Figura 29.

Pentru tratamentul cu ultrasunete, concentratoarele exponențiale conice și simetrice în trepte sunt cele mai utilizate. Metoda de calcul a concentratoarelor indicate mai jos face posibilă obținerea de date pentru proiectarea lor destul de simplu și cu suficientă precizie pentru utilizare practică.

Date inițiale pentru calcularea concentratorului:

D2 – diametru gaură 14 mm

n este câștigul de amplitudine 5

f este frecvența de rezonanță a convertorului Hz

6.3. Modalități de atașare a instrumentului la butuc.

Cele mai bune proprietăți operaționale sunt posedate de uneltele realizate ca o singură unitate cu un concentrator.

Cu toate acestea, din cauza uzurii, un astfel de instrument are o durată de viață limitată. Numărul de piese produse de o unealtă depinde de materialul prelucrat, de natura operațiunii și de precizia de prelucrare necesară.

https://pandia.ru/text/78/173/images/image128.png" width="244" height="25">

(conform Fig. T. la puterea mașinii de 2,5 kW, luăm 56 mm)

Raportul optim între diametrele treptelor se determină din curbele experimentale prezentate în fig. 31.

2) Se determină lungimea estimată a hub-ului (https://pandia.ru/text/78/173/images/image132.png" width="328" height="49">

De asemenea, lungimea calculată a concentratorului poate fi determinată din curbele experimentale din Figura 31.

Vitezele sunetului în diferite materiale utilizate pentru fabricarea concentratoarelor sunt prezentate în Tabelul 2.

masa 2

Material	Densitatea ρ	Modulul elastic E	Viteza undei longitudinale C
Aluminiu

3) Greutatea concentratorului poate fi determinată din expresia:

Pe fig. 32. prezintă un concentrator în trepte pentru prelucrarea găurilor cu diametrul de 29,6 mm cu un câștig de amplitudine de n=5 și o frecvență de rezonanță de f=19 kHz.

Orez. Butuc cu 32 de viteze

Pentru hub-uri în trepte https://pandia.ru/text/78/173/images/image140.png" width="178" height="49">

unde S1 și S2 sunt zonele secțiunii transversale ale treptelor mari și mici.

N este factorul suprafață.

7. Analiza periculoase si nocive factori de producţie.

Parametrii de iluminare selectați nu contravin cerințelor GOST 12.3.025-80, conform cărora iluminatul general în atelierele de asamblare de mașini ar trebui să fie de cel puțin 300 de lux.

GOST 12.1.003 - 83 stabilește condițiile maxime admise pentru zgomotul constant la locul de muncă, în care zgomotul, care acționează asupra unui lucrător în timpul unei zile de lucru de opt ore, nu dăunează sănătății. Normalizarea se realizează în benzi de frecvență de octave cu frecvențe medii geometrice de 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.

Conform GOST 12.1.003, nu trebuie să depășească 85 dBA, la locurile de muncă: cu un lăcătuș - 75 ... 100 ( nivel inalt zgomot), cu șlefuire CNC - 80 dBA, cu ultrasunete - 60 dBA.

Sursele de zgomot și vibrații în atelierul proiectat sunt:

Masini-unelte pentru prelucrarea metalelor (slefuire, prelucrare a metalelor, cu ultrasunete);

Pentru a proteja împotriva zgomotului și vibrațiilor, sunt prevăzute următoarele măsuri de reducere a zgomotului și vibrațiilor:

Prelucrare acustică a incintei (instalare de ecrane fonoabsorbante, carcase, montare de garduri izolate fonic);

Instalarea amortizoarelor in sistemele de ventilatie.

O reducere semnificativă a zgomotului se realizează prin înlocuirea rulmenților cu lagăre de alunecare (zgomotul este redus cu 10 dBA), piese metalice - cu piese din plastic.

Efectuarea acestor măsuri va reduce valorile nivelurilor de zgomot și ale vitezei de vibrație la valori care nu le depășesc pe cele admise (GOST 12.1.003, GOST 12.1.012).

În conformitate cu GOST 12.1.030, atelierul proiectat îndeplinește cerințele de siguranță electrică (toate mașinile sunt împământate). Nu există riscul de electrocutare.

8. Măsuri de asigurare conditii sigure muncă.

Principalele cerințe de protecție a muncii pentru produs și procesul tehnologic sunt:

- siguranta omului;

– fiabilitatea și ușurința în utilizare a echipamentelor utilizate în acest proces.

Astfel, funcționarea unei mașini de prelucrare dimensională cu ultrasunete trebuie să fie însoțită de respectarea tuturor cerințelor de siguranță, determinate de:

GOST 12.2.009-80 „Sistemul standardelor de securitate a muncii. „Mașini pentru prelucrarea metalelor”

GOST 12.3.024-80 „Sistemul standardelor de securitate a muncii. „Siguranța la rănire”

Principalele cauze ale vătămărilor în timpul lucrului la mașini pot fi:

– mecanisme de deplasare ale mașinilor-unelte;

- elemente ascuțite ale piesei de prelucrat și dispozitive pentru fixarea acesteia;

– funcționarea defectuoasă a sculei de mână;

- părți conductoare ale instalațiilor sau părți ale mașinii care se pun accidental sub tensiune;

- proiectarea defectuoasă a locului de muncă al operatorului mașinii;

- iluminarea slabă a locului de muncă;

Pentru un lucrător care va lucra la această mașină, cerințele de protecție a muncii pot fi reprezentate sub forma următorilor factori:

– parametrii de microclimat;

– iluminat industrial;

– zgomot industrial;

– vibratii de productie;

9. Parametrii de microclimat.

Parametrii de microclimat însoțitori activitatea muncii ale fiecărui participant la procesul tehnologic sunt:

- temperatura mediu inconjurator, t, °С;

– viteza aerului, W, m/s;

Valorile optime și admisibile ale acestor parametri sunt stabilite pentru întreaga zonă de lucru a unității de producție, ținând cont de perioada anului și de severitatea muncii efectuate.

În conformitate cu GOST 12.1.005-88, parametrii optimi de microclimat vor fi menținuți în atelier (Tabelul 3).

Tabelul 3 - Parametrii de microclimat

Perioada anului		Umiditate relativă, %	Temperatura, C	Viteza aerului m/s, nu mai mult
Rece

Parametrii specificați ai microclimatului sunt susținuți de sistemele de încălzire și ventilație.

În conformitate cu SN 245-71 (88), cu un volum specific mai mare de 40 m3 / persoană, este permisă utilizarea unui sistem general de ventilație în spațiile industriale. Pentru a îndepărta praful generat și aerosolii de răcire, local sisteme de evacuare ventilare.

Pentru mentinerea temperaturii in incapere (mai ales iarna), atelierul este prevazut cu sistem de incalzire a apei si radiatoare electrice cu ventilatoare care creeaza perdele termice la porti si usile de intrare iarna.

10. Iluminat industrial.

În atelierul clădirii de producție se asigură iluminat natural și artificial.

Iluminat natural - partea superioară (prin felinare) și laterală pe două fețe (prin deschideri laterale din pereții clădirii).

Iluminat artificial - combinat, format din iluminat general si local. Iluminatul general a fost implementat folosind lămpi cu descărcare în gaz mercur de înaltă presiune de tip DRL-400 (700,1000). Iluminatul local este implementat folosind lămpi cu incandescență de 36 V.

Iluminatul industrial în atelierele de prelucrare a metalelor este standardizat în conformitate cu SNiP 23.05.95.

În clarificare pentru atelierele de mașini și mașinile de tăiat metal de precizie, pot fi date următoarele standarde de iluminare (tabelul 4):

Tabel 4 - Iluminare pentru atelierele de prelucrare a metalelor PRELUCRAREA METALULUI
Iluminare, lx	Factorul de pulsație Kp, %
Combinate iluminat	Din corpuri de iluminat generale în sistem combinat
	Din general	Lămpi cu descărcare	incandescent

Pentru iluminatul local se folosesc lămpi instalate pe mașină și reglate astfel încât iluminarea zonei de lucru să nu fie mai mică decât valorile stabilite.

Corpurile de iluminat utilizate pentru iluminatul local trebuie să fie echipate cu reflectoare opace cu un unghi de protecție de cel puțin 30°.

Geamurile, deschiderile ferestrelor și luminatoarele sunt curățate de cel puțin două ori pe an.

10.1. Calculul iluminării artificiale.

Iluminatul locului de muncă este cel mai important factor în crearea condițiilor normale de lucru. Iluminare insuficientă locul de muncă poate provoca oboseală rapidă a ochilor, pierderea atenției și, în consecință, poate duce la vătămări profesionale.

Iluminarea minimă a locului de muncă ar trebui să fie de cel puțin Emin=400lx.

Determinați distanța dintre lămpi:

unde h \u003d 5 m - înălțimea instalării lămpii deasupra nivelului podelei.

Astfel l=1,4*5=7m.

Determinăm dimensiunile atelierului în care se execută strunjirea:

dimensiune atelier A = 8 m; B = 20 m.

suprafata camerei S = A*B = 160m2

3. Determinați numărul de lămpi din atelier:

Acceptăm n=12 bucăți.

4. Determinați fluxul luminos necesar:

unde: k=1,3 – factorul de putere al lămpii,

b=0,47 - factorul de utilizare a instalației de iluminat,

z=0,9 - coeficientul de neuniformitate de iluminare,

Fluxul luminos al unei lămpi:

Aceasta valoare a fluxului luminos este asigurata de un corp de iluminat de tip DRL cu o putere de 200 W cu un flux luminos Fl = 4,3 * 103lm.

1) Determinați iluminarea reală:

11. Protecția mediului.

În epoca revoluției științifice și tehnologice moderne, problema încălcării echilibrului ecologic, exprimată în deteriorarea calității mediului ca urmare a poluării cu deșeurile industriale, a devenit extrem de acută. Numărul lor în continuă creștere amenință funcția de auto-purificare a biosferei, perturbă echilibrul ecologic și, în cele din urmă, amenință cu consecințe negative pentru oameni. Poluarea mediului este asociată cu consumul și producția de energie electrică, producția agricolă, dezvoltarea transporturilor, industria nucleară și alte industrii. Țările industrializate încep deja să se confrunte cu deficit de apă curată. Industria consumă din ce în ce mai mult oxigen, emisia de dioxid de carbon crește. În prezent, activitatea de producție umană a atins o asemenea amploare încât provoacă modificări nu numai în biogeocenoze individuale (stepă, luncă, câmp, pădure etc.), ci și într-o serie de procese stabilite istoric în întreaga biosfere.

În producția de lame LPT, toate substanțele nefavorabile și nocive sunt prelucrate în conformitate cu cerințele de protecție a muncii: deșeurile lichide de producție, cum ar fi soluția de spălat, de la mașina de spălat, lichidul de răcire uzat este scos la stațiile de neutralizare, deșeuri solide așchii metalici sunt predați la punctele de colectare a deșeurilor metalice.

12. Purificarea aerului.

În timpul măcinarii, se eliberează praf. Cea mai mare aplicație pentru purificarea aerului din praf cu o dimensiune a particulelor de peste 10 microni a fost primită de cicloni. Dispozitivul lor este simplu și funcționarea simplă, au o rezistență hidraulică relativ scăzută (750-1000 Pa), performanțe economice ridicate. Cicloanele sunt operate pentru o lungă perioadă de timp în diferite condiții de mediu la temperaturi ale aerului de până la 550 K.

Ciclonii (Figura 22) sunt utilizați pentru a curăța aerul de praful uscat, nefibros și necoalescent. Separarea prafului în cicloni se bazează pe principiul separării centrifuge. Intrând tangențial în ciclon prin conducta de admisie /, fluxul de aer capătă o mișcare de rotație în spirală și, coborând spre fundul părții conice a corpului 3, iese prin tubul central 2. Sub acțiunea forțelor centrifuge, particulele sunt aruncate pe peretele ciclonului și coboară în partea inferioară a ciclonului și de acolo în colectorul de praf. 4.

Orez. 33 - Colector de praf: Ciclon

12.1. Poluarea aerului și purificarea zonei de lucru

Prelucrarea metalelor este însoțită de eliberarea de așchii, vapori de apă, ceață de ulei și emulsii.

Concentrațiile maxime admise ale unora dintre cele mai comune substanțe din aerul zonei de lucru (tabelul 5):

GOST 12.2.009-80 „Sistemul standardelor de securitate a muncii. „Mașini pentru prelucrarea metalelor. Cerințe generale security” oferă un dispozitiv pentru îndepărtarea prafului, așchiilor mici și a impurităților dăunătoare de pe mașinile multifuncționale pentru prelucrarea metalelor.

Tabelul 5 - Concentrația maximă admisă

Substanţă	Concentrație, mg/m3	Clasa de pericol
Aluminiu și aliajele sale
Tungsten
metal cobalt
cupru metal
Oteluri aliate

GOST 12.3.025-80 „Sistemul standardelor de securitate a muncii. «Prelucrarea metalelor prin tăiere. Cerințe de siguranță” pentru procesul de prelucrare a metalelor cu utilizarea fluidelor de tăiere impune următoarele cerințe:

lichidele de tăiere trebuie să fie aprobate de Ministerul Sănătății;

absența coroziunii solide sau pitting sub influența LC pe o probă cu o rugozitate Ra = 0,63 timp de 24 de ore;

LC, furnizat zonei de tăiere prin pulverizare, trebuie să respecte cerințele de igienă;

Curățarea locurilor de muncă de așchii și praf ar trebui să excludă formarea de praf.

Ventilația este un schimb de aer organizat și reglementat care asigură îndepărtarea aerului poluat de pericole industriale din incintă. - mecanice. Tipuri de ventilație datorită condițiilor naturale. Ventilația naturală creează schimbul de aer necesar datorită diferenței de densitate a aerului cald și rece din interiorul încăperii și mai rece în exterior, precum și din cauza vântului. Schema de ventilație pentru site-ul nostru este prezentată în Figura 34.

Fig.34 − Schema de ventilare a unei clădiri industriale.

Distingeți între aerarea fără canale și aerarea canalului. Primul se realizează cu ajutorul traverselor (admisie de aer) și a felinarelor de evacuare (ieșire a aerului), se recomandă în încăperi mari și în ateliere cu exces mare de căldură. Aerarea canalelor este de obicei dispusă în încăperi mici și constă din canale în pereți, iar la ieșirea canalelor sunt instalate deflectoare pe capace, care creează curent atunci când sunt suflate de vânt. Ventilația naturală este economică și ușor de utilizat. Dezavantajele sale sunt că aerul nu este curățat și încălzit atunci când intră, nici aerul eliminat nu este curățat și poluează atmosfera. Ventilația mecanică constă din canale de aer și stimulatoare de mișcare (ventilatoare mecanice sau ejectoare). Schimbul de aer se realizează indiferent de condițiile meteorologice externe, în timp ce aerul care intră poate fi încălzit sau răcit, umidificat sau dezumidificat. Aerul evacuat este purificat. Sistemul de ventilație de alimentare atrage aer prin admisia de aer, apoi aerul trece prin încălzitor, unde aerul este încălzit și umidificat și este furnizat de ventilator prin conductele de aer în cameră prin duze pentru reglarea debitului de aer. Aerul poluat este forțat afară prin uși, ferestre, felinare, crăpături. Ventilația de evacuare elimină aerul poluat și supraîncălzit prin orificiile de evacuare a aerului și un purificator, în timp ce aerul proaspăt intră prin ferestre, uși și scurgeri structurale.

Ventilația locală aerisește locurile de emisie directă a substanțelor nocive și poate fi, de asemenea, de alimentare sau de evacuare. Ventilația de evacuare îndepărtează aerul poluat prin conductele de aer; aerul este aspirat prin prize de aer, care se poate realiza sub forma: Aspiratiile locale sunt dispuse direct la locurile de degajare a substantelor nocive: la locurile de munca de sudare electrica si gaz, in sectiile de incarcare ale magazinelor de baterii, la bai de zincare. Pentru a îmbunătăți microclimatul unei zone limitate a camerei, ventilația locală este utilizată sub forma unui duș cu aer, o zonă de oază de aer cu aer curat și rece, o perdea de aer. O perdea de aer este folosită pentru a preveni intrarea aerului rece din exterior în încăpere. Pentru a face acest lucru, în partea inferioară a deschiderii este dispusă o ieșire de aer cu o fantă, din care aerul cald este furnizat către fluxul de aer rece la un unghi de 30-45 de grade. cu o viteză de 10-15 m/s.

Este recomandabil să se folosească un pneumociclon, prezentat în Figura 35, ca purificatoare de aer la amplasament.

Orez. 35 - Pneumociclon

Particulele în suspensie sunt separate de fluxul de gaz sub acțiunea forțelor centrifuge și inerțiale. Fluxul de gaz praf pătrunde tangenţial prin conducta de admisie în corp, unde, datorită ghidajelor, este împărţit secvenţial în fluxuri separate cu separare suplimentară centrifugă a prafului. Praful grosier se depune pe pereții ghidajelor și pe corp și cade în coșul de gunoi.
Gazele cu praf fin, împărțite în fluxuri separate, intră în paletele rozetei, unde își schimbă direcția cu 180°. În acest moment, praful fin cade în partea inferioară a prizei și apoi în buncărul de praf și colectorul de praf. Gazele purificate ies din colectorul de praf prin canalul intern al orificiului de evacuare prin conducta de evacuare.

13. Încheiere pe secțiuni.

Astfel, s-a făcut o analiză a factorilor de producție periculoși și nocivi care apar în zona prelucrării dimensionale cu ultrasunete. S-a efectuat calculul iluminării locale necesare pentru funcționarea în siguranță pe o mașină cu ultrasunete. Au fost propuse măsuri de protecție a mediului pentru a proteja zona de lucru de poluarea aerului. Procesul de dimensionare cu ultrasunete este fără deșeuri și ecologic.

14. Concluzie generală asupra lucrării.

Rezumând rezultatele teza putem spune că utilizarea ultrasunetelor permite nu numai creșterea productivității și reducerea uzurii sculelor, ci și prelucrarea pieselor cu pereți mai subțiri prin reducerea forțelor de tăiere Rz. În procesul de prelucrare cu ultrasunete, probabilitatea apariției așchiilor și a distrugerii pieselor este, de asemenea, redusă. Detaliile pentru care a fost dezvoltat procesul au îndeplinit cerințele de bază pentru acestea. Și anume: prezența fisurilor în sticlă este inacceptabilă; acestea nu au fost în niciunul dintre experimentele de mai sus. Pe suprafețele de capăt ale plăcilor au fost permise așchii separate cu o lungime de cel mult 1 mm, cu acces la suprafața de lucru cu o lățime de cel mult 0,2 mm, la o suprafață nefuncțională cu o lățime de cel mult 0,3 mm. Uzura medie a sculei este de 0,03% pentru o singură piesă de policor și de 0,035% pentru o piesă de sticlă C-40. Modelarea principală a piesei trebuie realizată cu ajutorul unei scule și a unei operații de frezare cu ultrasunete. A fost posibil să se reducă numărul de operațiuni pentru fabricarea unei piese, reducând astfel timpul de fabricație a unei piese cu 25-30%. În prezent, mașinile-unelte de acest tip costă aproximativ 15 milioane de ruble. Instalația pe care s-au făcut experimentele este estimată la ceva mai mult de 1,7 milioane.

Pe baza experimentelor, a fost creat un raport și trimis întreprinderii clientului. În cazul unui rezultat pozitiv în ceea ce privește productivitatea, fiabilitatea și satisfacția numărului de aparate adecvate, se va semna un contract pentru 2 utilaje similare. Pe lângă întreprinderea indicată în diplomă, astfel de echipamente vor fi de mare interes și pentru alte producții de instrumente. Designul capului permite nu numai frezarea cu ultrasunete cu o unealtă diamantată, ci și fără aceasta. Această ocazieîn combinație cu sistemul CNC, poate fi utilizat pentru producția de piese de formă complexă, îndeplinind funcția de echipament convențional de frezare și gravare.

15. Lista referințelor.

1., Sh. Schwegla: Prelucrarea cu ultrasunete a materialelor (1984, 282 p.)

2. , : Prelucrarea cu ultrasunete a metalelor (1966 157s.)

3.: Ultrasunetele în inginerie mecanică (1974, 282 p.)

4. E. Kikuchi, ed. : traductoare cu ultrasunete 423s.)

5. : Manual de electricitate și metode cu ultrasunete prelucrare (1971, 543 p.)

6. „Prelucrarea cu ultrasunete a materialelor” - M. „Inginerie”, 1980

7. „Procedee tehnologice de prelucrare a sticlei în industria electrovidului” - M. Institutul Central de Cercetare „Electromecanica”, 1972

Invenţia se referă la tehnologia cu ultrasunete, şi anume la structurile sistemelor vibratoare cu ultrasunete. Rezultatul tehnic al invenției este de a crește amplitudinea oscilațiilor, reducând în același timp consumul de energie, reducând dimensiunile de gabarit și greutatea. Sistemul oscilator cu ultrasunete este alcătuit din pachete de elemente piezoelectrice situate pe suprafața concentratorului formând vibrații. Pe ambalajele de elemente piezoelectrice există tampoane reflectorizante, a căror suprafață, opusă elementelor piezoelectrice, este făcută plată sau variabilă în trepte în diametru. Concentratorul are un punct de atașare și se termină cu o suprafață cu un instrument de lucru. Suprafețele de formare și radiație ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime în secțiune transversală, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante, a pachetului de elemente piezoelectrice și a secțiunii concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice. Lungimea secțiunii concentratorului, pe care se efectuează o tranziție radială lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, sunt egale cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice. 2 bolnavi.

Desene ale brevetului RF 2284228

Invenția se referă la tehnologia ultrasonică, și anume la proiectarea sistemelor oscilatoare cu ultrasunete, și poate fi utilizată în dispozitive tehnologice destinate procesării unor volume mari de medii lichide și lichide dispersate, pentru a se asigura că o suprafață mare este expusă la vibrații ultrasonice de mare amplitudine, de exemplu, în dispozitivele de curgere sau în implementarea prin presare sudare în trepte (formarea cusăturilor de etanșare de mare lungime).

Ca parte a oricărui ultrasonic aparat tehnologic include o sursă de vibrații electrice frecventa inalta(generator electronic) și sistem oscilant cu ultrasunete.

Sistemul oscilator cu ultrasunete este format dintr-un traductor piezoelectric și un concentrator cu un instrument de lucru. În traductorul ultrasonic al sistemului oscilator, energia vibrațiilor electrice este convertită în energia vibrațiilor elastice de frecvență ultrasonică. Concentratorul este realizat sub forma unei figuri tridimensionale de secțiune transversală variabilă din metal, în care raportul dintre zonele suprafețelor în contact cu traductorul și care se termină cu instrumentul de lucru (radiând vibrații ultrasonice) determină necesarul. factor de amplificare.

Sisteme oscilatorii cu ultrasunete cunoscute cu suprafețe mari ale suprafeței radiante. Toate sistemele oscilatoare cunoscute sunt realizate după o schemă constructivă care combină traductoare piezoelectrice sau magnetostrictive cu semiundă și concentratoare rezonante (multiplii ai jumătății lungimii de undă a vibrațiilor ultrasonice) ale vibrațiilor ultrasonice. Dimensiunea lor longitudinală corespunde lungimii de undă a vibrațiilor ultrasonice, iar dimensiunea transversală depășește jumătate din lungimea vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului.

Dezavantajul analogilor este distribuția complexă a amplitudinii oscilației pe suprafața radiantă din cauza raportului lui Poisson al materialului concentrator, care nu permite aceeași acțiune ultrasonică de-a lungul întregii suprafețe radiante, de exemplu, atunci când se obține o calitate înaltă. cusătură extinsă.

Cel mai apropiat, din punct de vedere al esenței tehnice, de soluția tehnică propusă este un sistem vibrator cu ultrasunete conform brevetului SUA 4363992 adoptat ca prototip.

Un sistem oscilator cu ultrasunete este format din mai multe traductoare piezoelectrice cu jumătate de undă instalate pe una dintre suprafețele (formând vibrații ultrasonice) ale unui concentrator, care se termină cu un capăt de lucru (uneltă) de o anumită formă și dimensiune. Traductoarele sunt realizate sub formă de suprapunere spate de reducere a frecvenței montate în serie și interconectate acustic, un pachet de un număr par de elemente piezoelectrice inelare și o suprapunere radiantă care reduce frecvența. Suprafața radiantă a traductorului este conectată acustic la suprafața concentratorului care formează vibrațiile ultrasonice. Dimensiunea longitudinală a concentratorului corespunde cu jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Concentratorul este realizat sub forma unei figuri tridimensionale de secțiune transversală variabilă din metal, în care raportul dintre suprafețele suprafețelor în contact cu traductoarele (formând vibrații ultrasonice) și se termină cu un instrument de lucru (radiant ultrasonic). vibraţii) determină câştigul necesar.

Concentratorul are caneluri de trecere, care fac posibilă eliminarea distribuției neuniforme a amplitudinii oscilației de-a lungul suprafeței radiante a concentratorului (adică, excluderea deformației concentratorului perpendicular pe direcția forței). Acest lucru face posibilă asigurarea aceluiași efect ultrasonic pe întreaga suprafață radiantă.

Prototipul vă permite să eliminați parțial deficiențele sistemelor oscilatoare cunoscute, dar are următoarele dezavantaje semnificative comune.

1. Cunoscutul sistem oscilator ultrasonic, format din traductoare ultrasonice și un concentrator, este un sistem rezonant. Când frecvențele de rezonanță ale traductoarelor și ale concentratorului coincid, se asigură amplitudinea maximă a vibrațiilor ultrasonice ale instrumentului de lucru și, în consecință, aportul maxim de energie în mediul prelucrat. La implementarea proceselor tehnologice, unealta de lucru și o parte a concentratorului sunt scufundate în diverse medii tehnologice sau supuse presiunii statice pe suprafața radiantă. Influența diferitelor medii tehnologice sau a presiunii externe este echivalentă cu apariția unei mase suplimentare atașate la suprafața radiantă a concentratorului și duce la o modificare a frecvenței de rezonanță naturală a concentratorului și a întregului sistem oscilator în ansamblu. În acest caz, potrivirea optimă a frecvenței dintre convertor și concentrator este încălcată. Nepotrivirea dintre traductorul ultrasonic și concentrator duce la o scădere a amplitudinii oscilațiilor suprafeței radiante (unealta de lucru) și o scădere a energiei introduse în medii.

Pentru a elimina acest neajuns, în proiectarea și fabricarea sistemelor oscilatoare, se realizează o nepotrivire preliminară a convertorului și concentratorului în ceea ce privește frecvența de rezonanță, astfel încât atunci când apare o sarcină și frecvența naturală a concentratorului scade, aceasta să corespundă cu frecvența naturală. frecvența convertizorului și asigură un aport maxim de energie. Acest lucru limitează în mod semnificativ domeniul de aplicare al unui astfel de sistem oscilator cu ultrasunete și este insuficient, deoarece în majoritatea proceselor tehnologice implementate valoarea masei adăugate se modifică (de exemplu, trecerea de la mediile de apă sau ulei la emulsia lor, apariția și dezvoltarea un proces de cavitație care duce la formarea unui nor de bule de gaz-vapori și reducerea masei adăugate în orice mediu lichid) în timpul implementării procesului în sine, ceea ce duce la o scădere a eficienței de intrare a vibrațiilor ultrasonice.

2. Problema potrivirii optime a traductorului și concentratorului în frecvență este exacerbată de necesitatea de a potrivi impedanțele de undă ale mediilor lichide și lichide dispersate cu materiale piezoceramice solide ale traductoarelor. Pentru o potrivire optimă, câștigul concentratorului ar trebui să fie 10-15. Astfel de câștiguri mari pot fi obținute numai cu concentratoare în trepte, dar, la astfel de câștiguri, ele exacerba dependența frecvenței de rezonanță naturale de sarcină, necesită o secțiune mică de ieșire cu o lungime semnificativă (corespunzând unui sfert din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice). în materialul concentratorului), ceea ce duce la reducerea suprafeței radiante, pierderea stabilității dinamice și apariția vibrațiilor de încovoiere. Din acest motiv, sistemele oscilatoare utilizate în practică au un câștig de cel mult 3...5, ceea ce le face improprii pentru furnizarea de efecte ultrasonice de mare intensitate pe diverse medii tehnologice.

Pe lângă principalele dezavantaje datorate schemei de proiectare aplicate pentru construirea sistemelor oscilatoare, prototipul are mai multe dezavantaje datorită caracteristicilor tehnologice și operaționale ale fabricării și utilizării lor.

1. Un sistem vibrator cu ultrasunete cu două sau mai multe traductoare piezoelectrice (până la 40...50 mm în diametru) poate avea o lungime a suprafeței radiante mai mare de 200...250 mm și o lățime mai mare de 5 mm. În acest caz, frecvențele de rezonanță naturale ale traductoarelor piezoelectrice diferă, ceea ce se datorează diferențelor dintre parametrii electrici și geometrici ai elementelor piezoelectrice, suprapunerilor de scădere a frecvenței, diferențelor de forțe de compresie în timpul ansamblului traductorului etc., care sunt permise conform documentației de reglementare și de proiectare. În acest caz, excitarea vibrațiilor mecanice ale concentratorului rezonant este efectuată de convertoare cu frecvențe de operare diferite, dintre care unele nu coincid cu frecvența de rezonanță a concentratorului. Este deosebit de dificil să se efectueze coordonarea într-un sistem oscilator cu mai multe convertoare de frecvențe diferite și un concentrator în trepte cu un câștig maxim. Deoarece acest lucru reduce eficiența tratamentului cu ultrasunete, chiar și în comparație cu un sistem oscilator de aceeași dimensiune, dar cu un singur traductor.

2. Imposibilitatea realizării unei suprafețe radiante cu profil complex (de exemplu, pentru formarea simultană a două suduriși tăierea materialului între ele), deoarece în acest caz fiecare dimensiune longitudinală determină propria frecvență de rezonanță a concentratorului, care nu corespunde frecvenței de rezonanță a traductoarelor (se realizează eficient doar una dintre operații - formarea unei cusături sau tăierea materialului).

3. Imposibilitatea realizării sistemelor oscilatorii ultrasonice cu o lățime de bandă extinsă, în comparație cu sistemele rezonante.

4. Un sistem oscilant cu două jumătăți de undă cu o frecvență de funcționare de 22 kHz are o dimensiune longitudinală de cel puțin 250 mm și, cu o lungime a suprafeței radiante de 350 mm, cântărește cel puțin 10 kg. În acest caz, montarea sistemului oscilator se realizează în zona vibrațiilor minime: fie în centrul convertorului, fie în centrul concentratorului. Aceasta prindere duce la o stabilitate mecanica scazuta si la imposibilitatea asigurarii acuratetii impactului. Fixarea optimă în centrul de masă nu poate fi asigurată din cauza amplitudinilor mari ale oscilațiilor mecanice și a amortizarii inevitabile a sistemului oscilator.

Deficiențele dezvăluite ale prototipului cauzează eficiența insuficientă, limită funcţionalitate, ceea ce îl face nepotrivit pentru utilizare în performanțe înalte, producție automatizată.

Soluția tehnică propusă vizează eliminarea deficiențelor sistemelor oscilatoare existente și crearea unui nou sistem oscilator capabil să asigure radiația vibrațiilor ultrasonice cu o distribuție uniformă a amplitudinii de-a lungul suprafeței radiante a concentratorului (uneltei de lucru) cu eficienta maxima sub toate sarcinile și modificările posibile ale proprietăților mediilor prelucrate și ale parametrilor sistemului oscilator, adică, în cele din urmă, pentru a asigura o creștere a productivității proceselor asociate cu expunerea la ultrasunete, reducând în același timp consumul de energie.

Esența soluției tehnice propuse constă în faptul că sistemul oscilator cu ultrasunete care conține elemente piezoelectrice și un concentrator este alcătuit din concentrator și pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie dispuse în paralel pe suprafața concentratorului și conectate acustic. la ea. Pe ambalajele de elemente piezoelectrice există tampoane reflectorizante conectate acustic cu elementele piezoelectrice. Suprafața opusă de contact cu elementele piezoelectrice este făcută plată sau variabilă în trepte în diametru, iar dimensiunile și numărul de trepte sunt selectate din condiția de obținere a unei lățimi de bandă dată. Concentratorul are o unitate de prindere și se termină cu o suprafață care emite vibrații ultrasonice cu un instrument de lucru. Suprafețele de formare și radiație ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime în secțiune transversală, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante, a pachetului de elemente piezoelectrice și a secțiunii concentratorului până la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Dimensiunile secțiunii concentratorului, pe care se realizează o tranziție lină, și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, sunt egale cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, iar tranziția lină se realizează radial, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția:

Analiza posibilelor scheme structurale pentru construirea sistemelor oscilatoare a făcut posibilă stabilirea că majoritatea limitărilor fundamentale inerente unei scheme structurale cu două jumătăți de undă a unui sistem oscilator pot fi eliminate prin utilizarea sistemelor oscilatoare care combină un traductor piezoelectric și un concentrator. cu un factor de câștig ridicat și instrument de lucru de orice dimensiune într-o schemă structurală cu jumătate de undă.

Un sistem oscilator realizat după o schemă constructivă cu jumătate de undă este un singur sistem oscilator rezonant și toate modificările parametrilor săi duc doar la o nepotrivire cu un generator electronic. Absența proiectelor practice ale unor astfel de sisteme oscilatoare se datorează imposibilității implementării lor pe baza traductoarelor magnetostrictive utilizate, până de curând, și complexității implementării practice bazate pe elemente piezoceramice moderne din cauza necesității de a le plasa la maximum. stres mecanic, precum și din cauza lipsei generatoarelor electronice capabile să ofere moduri optime de alimentare pentru un astfel de sistem oscilator cu toate modificările posibile ale frecvenței sale de rezonanță (până la 3...5 kHz).

Soluția tehnică propusă este ilustrată în Fig.1, care prezintă schematic un sistem oscilator cu ultrasunete care conține elemente piezoelectrice 1, plăcuțe rezonante reflectorizante 2 și un concentrator 3. Structural, sistemul oscilator este alcătuit din concentratorul 3 situat în paralel pe suprafața 4 de formare. vibrații ultrasonice și asociate acustic cu acestea pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie 1 (figura 1 prezintă un sistem oscilator cu două pachete de elemente piezoelectrice). Pe fiecare dintre pachete, constând dintr-un număr par de elemente piezoelectrice (de obicei două sau patru), există plăcuțe reflectorizante 2 asociate acustic cu acestea, a căror suprafață opusă este în contact cu elementele piezoelectrice este făcută plată 5 sau variabilă în trepte. în lungime 6, iar dimensiunile şi numărul de trepte 7 sunt selectate din condiţiile pentru obţinerea unei lăţimi de bandă dată. Concentratorul 3 are o unitate de fixare 8 și se termină cu o suprafață 9 care emite vibrații ultrasonice cu o unealtă de lucru 10. Suprafețele de formare 4 și emițătoare ale concentratorului au o formă dreptunghiulară de aceeași lungime L și raportul dimensiunilor lor transversale. D1, D2 este selectat din condiția asigurării unui factor de câștig dat al concentratorului. Lungimea totală a căptușelii reflectorizante 2, a pachetului de elemente piezoelectrice 1 și a secțiunii concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Dimensiunile secțiunii concentratorului pe care are loc tranziția lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței de radiație corespund unei șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, iar tranziția lină este făcută radială, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția:

unde L z este lungimea tranziției netede; D 1 , D 2 - dimensiunile transversale ale suprafeței de formare și radiație a concentratorului.

Sistemul oscilator cu ultrasunete funcționează după cum urmează.

Atunci când o tensiune de alimentare electrică este furnizată de la generatorul de oscilații electrice de frecvență ultrasonică (neprezentată în figura 1), corespunzătoare frecvenței naturale a sistemului oscilator, la electrozii elementelor piezoelectrice 1, energia oscilațiilor electrice este convertită în oscilații mecanice ultrasonice datorită efectului piezoelectric. Aceste vibrații se propagă în direcții opuse și sunt reflectate de suprafețele limită ale căptușelii reflectorizante și ale concentratorului (uneltă de lucru). Întrucât întreaga lungime a sistemului oscilator corespunde mărimii rezonante (jumătate din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice), vibrațiile mecanice sunt eliberate la frecvența de rezonanță naturală a sistemului oscilator. Prezența unui concentrator radial în trepte face posibilă creșterea amplitudinii oscilațiilor suprafeței radiante, în comparație cu amplitudinea oscilațiilor, pe suprafața opusă căptușelii reflectorizante în contact cu elementele piezoelectrice. Mărimea amplitudinii oscilației pe suprafața radiantă depinde de câștigul concentratorului, care este definit ca pătratul raportului dintre zonele suprafețelor de formare și radiante ale concentratorului, care au o secțiune transversală dreptunghiulară de aceeași lungime.

Atașamentul 8 butucul 3 (figura 1) este situat în zona apropiată de nodul vibrațiilor ultrasunete mecanice minime, ceea ce asigură o amortizare minimă a sistemului oscilant ultrasonic, adică. amplitudinea maximă a oscilațiilor suprafeței radiante și absența oscilațiilor la punctele de atașare ale sistemului oscilator în liniile de producție.

Datorită faptului că obținerea de rapoarte analitice ale dimensiunilor geometrice pentru calcule practice în proiectarea sistemelor oscilatoare este dificilă din cauza lipsei unui număr de date precise privind propagarea vibrațiilor ultrasonice în corpuri cu secțiune transversală variabilă din materiale diferite alternate, atunci când alegerea parametrilor unui sistem oscilator s-au folosit rezultatele simulării numerice, împreună cu dependențe grafice ale studiului practic al sistemelor oscilatoare cu diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiatoare ale concentratorului D 1 , D 2 și secțiuni ale sistemul oscilator cu lungimi diferite . Studiile experimentale au permis să se stabilească că coeficientul maxim de transformare electromecanică este asigurat cu condiția ca elementele piezoelectrice să fie deplasate din zona de oscilații minime (solicitari mecanice maxime) în așa fel încât lungimea totală a reflectorizantei. căptușeala, pachetul de piezoelement și secțiunea concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului. Alegerea dimensiunii secțiunii concentratorului, pe care se realizează o tranziție lină egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului și forma acestuia, conform formulei de mai sus, asigură câștigul necesar și minim mecanic. tensiuni la limita de tranziție dintre secțiunea de tranziție lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței emitente. Rezultatele studiilor experimentale ale sistemelor oscilatoare cu diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiație ale concentratorului D 1 , D 2 sunt prezentate în Fig.2 a, 6, c, care prezintă graficele parametrilor principali ai sistemul oscilator: modificarea frecvenței de rezonanță naturală f(a), amplificarea coeficientului M p (b) și solicitările mecanice maxime max (c) din raza tranziției netede. Din dependențele obținute s-a constatat că pentru orice raport al dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiație ale concentratorului D 1 , D 2 , efectul minim asupra frecvenței naturale de rezonanță are loc la

În acest caz, câștigul se apropie de maximul posibil și se asigură o reducere semnificativă a tensiunilor mecanice în zona elementelor piezoelectrice.

Studiile experimentale efectuate ne-au permis să confirmăm corectitudinea rezultatelor obținute și să dezvoltăm proiecte practice de sisteme oscilatoare pentru diferite rapoarte ale dimensiunilor transversale ale suprafețelor de formare și radiatoare ale concentratorului D 1 , D 2 .

Astfel, într-un sistem oscilator cu o dimensiune transversală a suprafeței radiante egală cu D 2 = 10 mm și cu o dimensiune transversală a suprafeței formatoare de vibrații D 1 egală cu 38 mm (adică la utilizarea celor mai utilizate elemente piezoelectrice inelare). cu un diametru exterior de 38 mm), sistemul oscilator dezvoltat va asigura amplificarea vibrațiilor ultrasonice generate de elementele piezoelectrice, de nu mai puțin de 11 ori (vezi figura 2).

Rezultate similare au fost obținute și pentru alte valori ale lui D 2 .

Deci, atunci când se utilizează elemente piezoelectrice inelare cu un diametru exterior de 50 mm în sistemul oscilator propus și care asigură un câștig de 10...15, dimensiunea transversală a suprafeței radiante a concentratorului D 2 poate fi egală cu 16 mm.

Pentru a obține un câștig egal cu 10 ... 15 în sistemul oscilator creat cu o dimensiune D 2 \u003d 20 mm, D 1 va fi egal cu doar 70 mm, care este, de asemenea, ușor de implementat în practică (elemente piezoelectrice cu un diametru de 70 mm sunt produse în serie).

Astfel, în timp ce se asigură amplitudinea de oscilație a unui pachet de două elemente piezoelectrice egală cu 5 μm (tensiune de alimentare nu mai mare de 500 ... 700 V), amplitudinea de oscilație a suprafeței radiante a sistemului oscilator va fi de 50 ... mod. de cavitație dezvoltată în prelucrarea mediilor lichide și lichide dispersate, implementarea sudării materialelor polimerice și prelucrarea dimensională a materialelor solide.

Sistemul oscilator cu ultrasunete dezvoltat a furnizat o eficiență (factor de conversie electroacustică) de cel puțin 75% (la radiația în apă).

Implementarea căptușelii reflectorizante cu o dimensiune longitudinală care se schimbă în trepte (adică implementarea suprafeței opuse în contact cu elementele piezoelectrice este variabilă în trepte în diametru), vă permite să creați mai multe dimensiuni rezonante diferite de-a lungul lungimii sistemului oscilator. Fiecare dintre aceste dimensiuni de rezonanță corespunde propriei frecvențe de rezonanță a vibrațiilor mecanice. Alegerea numărului și mărimii treptelor face posibilă obținerea lățimii de bandă necesare (adică asigurarea funcționării sistemului oscilator în domeniul de frecvență determinat de dimensiunile longitudinale maxime și minime ale căptușelii reflectorizante).

Rezultatul tehnic al invenției se exprimă în creșterea eficienței sistemului oscilator ultrasonic (creșterea amplitudinii oscilațiilor introduse în diverse medii) prin asigurarea unei coordonări optime cu mediul și generatorul electronic. Longitudinal dimensiune totală a sistemului oscilator este redusă de 2 ori, iar masa de 4 ori comparativ cu prototipul.

Sistemul oscilator cu ultrasunete dezvoltat în laboratorul de procese și aparate acustice al Institutului Tehnologic Biysk al Universității Tehnice de Stat din Altai a trecut testele de laborator și tehnice și a fost implementat practic ca parte a unei instalații pentru realizarea unei cusături longitudinale de 360 ​​mm lungime la sigilarea pungilor pentru ambalarea produselor vrac.

Producția în serie a sistemelor oscilatoare create este planificată pentru 2005.

Surse de informare

1. Brevet SUA nr. 3113225, 1963

2. Brevet SUA nr. 4607185, 1986

3. Brevet SUA nr. 4651043, 1987

4. Brevet SUA nr. 4363992 (prototip), 1982

5. Tehnologia cu ultrasunete. Ed. B.A. Agranat. - M.: Metalurgie, 1974.

6. Hmelev V.N., Popova O.V. Dispozitive cu ultrasunete multifuncționale și aplicarea lor în industriile mici, agricultură și gospodărie. Barnaul, Editura AltGTU, 1997, 160 p.

REVENDICARE

Sistem oscilator ultrasonic care conține elemente piezoelectrice și un concentrator, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-un concentrator paralel cu suprafața care formează vibrații ultrasonice și conectat acustic la acesta pachete dintr-un număr par de elemente piezoelectrice instalate în serie, pe care plăci reflectorizante sunt conectate acustic la acesta. acestea sunt amplasate opus celei de contact cu elemente piezoelectrice a căror suprafață este realizată plană sau în trepte-variabilă în diametru, iar dimensiunile și numărul de trepte sunt selectate din condiția obținerii unei lățimi de bandă date, concentratorul are o punctul de atașare și se termină cu o suprafață care emite vibrații ultrasonice cu un instrument de lucru, suprafețele de formare și radiație ale concentratorului sunt dreptunghiulare în secțiune transversală de aceeași lungime, iar raportul dimensiunilor lor transversale este selectat din condiția asigurării unui câștig dat. factor al concentratorului, lungimea totală a reflectorului n căptușeală, un pachet de elemente piezoelectrice și o secțiune a concentratorului la punctul de atașare este egală cu o șesime din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice din materialul concentratorului, dimensiunile secțiunii concentratorului pe care se realizează o tranziție lină și secțiunea cu o dimensiune transversală corespunzătoare suprafeței radiante, corespunde unei șase din lungimea de undă a vibrațiilor ultrasonice în concentratorul de material, iar tranziția lină se face radială, iar dimensiunile sale sunt selectate din condiția

unde L z este lungimea tranziției netede;

D1, D2 - dimensiunile transversale ale suprafețelor de formare și radiante ale concentratorului.

Pentru transmiterea vibrațiilor ultrasonice de la traductor la instrumentul de lucru sau la mediul de lucru în instalațiile cu ultrasunete se folosesc concentratoare și ghiduri de undă; acestea din urmă au o secțiune transversală constantă și o formă cilindrică.

Ghidurile de undă sunt utilizate atunci când nu este nevoie să se amplifice amplitudinea oscilațiilor traductorului. Huburile sunt transformatoare de viteză; au o secţiune transversală variabilă mai des cilindrică. Datorită acestei secțiuni transversale, ele convertesc vibrațiile ultrasonice de amplitudine redusă raportate de traductor și concentrate la capătul său de intrare în vibrații de o amplitudine mai mare la capătul de ieșire. Acestea din urmă sunt raportate corpului de lucru (instrumentului) unității cu ultrasunete. Amplificarea amplitudinii are loc datorită diferenței dintre zonele capetelor de intrare și de ieșire ale concentratorului - aria primului capăt (de intrare) al concentratorului este întotdeauna mai mare decât aria celui de-al doilea.

Ghidurile de undă și concentratoarele trebuie să fie rezonante, adică lungimea lor trebuie să fie un multiplu al unui număr întreg de semi-unde (λ/2). În această condiție, se creează cele mai bune oportunități pentru a le potrivi cu sursa de energie, sistemul oscilator în ansamblu și masa atașată acestora (unealta de lucru).

Orez. 14. Concentratoare pe jumătate de lungime de undă

În instalațiile tehnologice cu ultrasunete, concentratoarele de forme exponențiale (Fig. 14, a), conice (Fig. 14, b) și trepte sunt cele mai utilizate. Acestea din urmă sunt executate cu o flanșă (Fig. 14, c) sau fără ea (Fig. 14, d). Există și concentratoare conice cu flanșă (de exemplu, în convertorul de tip PMS-15A-18), precum și concentratoare combinate, în care treptele sunt de diferite forme.

Concentratoarele și ghidurile de undă pot fi o parte integrantă a sistemului oscilator sau a elementului său înlocuibil. În primul caz, acestea sunt lipite direct la convertor. Butucii înlocuibili sunt conectați la sistemul oscilator (de exemplu, cu o flanșă adaptoare) prin intermediul unui filet.

Pentru concentratoare, aria secțiunii transversale se modifică în funcție de un anumit model. Caracteristica lor principală este câștigul teoretic K, care arată de câte ori amplitudinea de oscilație a capătului său de ieșire este mai mare decât amplitudinea la capătul de intrare. Acest coeficient depinde de raportul N dintre diametrele capetelor de intrare D1 și de ieșire D2 ale concentratorului: N=D1/D2.

Cel mai mare câștig de amplitudine pentru aceeași valoare a lui N este furnizat de un concentrator în trepte. El are K=N2. Aceasta explică utilizarea pe scară largă a concentratoarelor de tip trepte în diferite dispozitive cu ultrasunete. În plus, aceste concentratoare sunt mai ușor de fabricat decât altele, ceea ce este uneori cea mai importantă condiție pentru aplicarea cu succes a prelucrării cu ultrasunete. Calculul unui concentrator în trepte este mult mai simplu decât alte tipuri de concentratoare.

Valoarea factorului de amplificare a amplitudinii concentratorului în trepte se ia ținând cont de prevenirea posibilității vibrațiilor laterale, care se observă la factori de amplificare mari (K> 8...10), precum și de datele de rezistență ale acestuia. În practică, câștigul unui butuc în trepte se presupune a fi de la patru la șase.

Lungimea rezonantă a concentratorului treptat lp este determinată din expresia lp=a/2=C/2f, unde X este lungimea de undă în tija de secțiune transversală constantă, cm; С - viteza undei longitudinale (pentru oțel С=5100 m/s); f - frecvența de rezonanță, Hz.